Misurazione del vuoto

La sottigliezza di un gas può anche essere descritta dalla densità molecolare del gas (il numero di molecole di gas per unità di volume) n. Per una molecola di gas ideale in perfetto equilibrio, P=nkT, k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura assoluta. Il dispositivo per misurare il grado di vuoto è chiamato vacuometro e l'elemento sensibile alla pressione del vacuometro è chiamato testa del manometro. Alcuni vacuometri possono misurare direttamente la pressione totale del gas. Sebbene alcuni vacuometri forniscano anche letture di pressione, la misurazione effettiva è la densità molecolare del gas ei risultati della misurazione sono correlati alla temperatura ambiente. Quando nel contenitore sono presenti più componenti del gas contemporaneamente, la pressione totale del gas nel contenitore è uguale alla somma delle pressioni parziali di ciascun gas. I metodi di misurazione della pressione totale possono essere suddivisi in due tipi: metodo diretto e metodo indiretto. Il metodo diretto utilizza i principi della differenza di colonna di liquido e della deformazione meccanica per misurare direttamente la pressione, compresi i manometri del livello del liquido, i vacuometri a compressione e i vacuometri a elementi elastici. In base alle grandezze fisiche misurate dai primi due strumenti si può calcolare il valore della pressione, che appartiene al vacuometro assoluto. Il metodo indiretto utilizza alcune proprietà fisiche del gas (come conduzione del calore, viscosità, ionizzazione ed effetti di dispersione della luce, ecc.) Per misurare la pressione, inclusi vacuometro a conduzione termica, vacuometro viscoso e vacuometro a ionizzazione. La stragrande maggioranza dei vacuometri utilizzati nella tecnologia del vuoto utilizza il metodo indiretto e questi vacuometri devono essere calibrati con vacuometri assoluti o altri metodi. Per il vacuometro misurato con il metodo indiretto, a causa delle diverse proprietà fisiche dei diversi tipi di gas, anche alla stessa pressione, le letture della pressione variano con il gas, quindi dovrebbe essere calibrato con il gas corrispondente. Quando il gas misurato non è un singolo componente, il significato di queste letture del vacuometro è più complicato. Poiché il gas utilizzato nella calibrazione generale del vacuometro è azoto puro, le letture di questi vacuometri vengono collettivamente indicate come pressione di azoto equivalente prima di essere corrette dal tipo di gas. Quando lo spazio misurato contiene una varietà di componenti del gas, solo la misurazione della pressione parziale può riflettere accuratamente lo stato di vuoto e la pressione totale nel contenitore

Vacuometri comuni

1. Vacuometro a conducibilità termica

La pressione del gas viene misurata utilizzando il principio che la conducibilità termica del gas cambia con pressioni diverse. In questo tipo di vacuometro, una certa corrente di riscaldamento viene fatta passare attraverso la testa del misuratore dotata di filo caldo e la temperatura del filo caldo è determinata dall'equilibrio tra riscaldamento e dissipazione del calore. La capacità di dissipazione del calore è funzione della pressione del gas, quindi la temperatura del filo caldo varia con la pressione. Se viene utilizzata una termocoppia aggiuntiva per misurare la temperatura del filo caldo, questa testa del misuratore viene chiamata misuratore della termocoppia; se il valore di resistenza del filo caldo stesso viene utilizzato per riflettere la temperatura, si parla di misuratore di resistenza o misuratore di Pirani. La conduzione del calore del gas cambia solo con la pressione a bassa pressione (P<100 Pa) e la conduzione del calore del gas non è il metodo principale di dissipazione del calore quando è inferiore a 10-1 Pa. Pertanto, il vacuometro a conduzione del calore viene utilizzato principalmente in la gamma di 100-10-1 Pa. Misure speciali possono estendere la gamma di misura. L'indicazione del vacuometro a conduzione termica non è solo correlata al tipo di gas, ma è anche facilmente influenzata da fattori come la contaminazione superficiale del filo scaldante, la temperatura ambiente, ecc., quindi la precisione non è elevata, ed è solo utilizzato per l'indicazione del vuoto approssimativo.

2. Vacuometro Pirani

Il suo principio di funzionamento è: il grado di vuoto è diverso, il numero di molecole d'aria per unità di volume è diverso, la capacità del filo di resistenza al riscaldamento di togliere il calore (capacità di dissipazione del calore) è diversa e la temperatura del filo di resistenza è diversa , perché la resistività del filo di resistenza è la temperatura. Pertanto, diversi gradi di vuoto causano una diversa resistività, quindi la resistenza è diversa e la caduta di tensione della corrente sul filo di resistenza è diversa. In base alla variazione di tensione, la pressione dell'aria può essere convertita, ovvero viene misurato il grado di vuoto. L'attuale vacuometro Pirani è generalmente realizzato in un ponte a quattro bracci e in serie con esso è presente un filo di resistenza per la compensazione della temperatura.

3. Vacuometro a film capacitivo

È un vacuometro ad elemento elastico e il film elastico divide la camera di regolazione del vuoto in due piccole camere, ovvero la camera di pressione di riferimento e la camera di misura. Quando si misura una bassa pressione (P<100Pa), la camera di riferimento viene evacuata ad alto vuoto e la sua pressione è approssimativamente zero. Quando la pressione nella camera di misura è diversa, anche il grado di deformazione della membrana è diverso. C'è un elettrodo fisso nella camera di misurazione, che forma un condensatore con la membrana. Quando la pellicola è deformata, il valore della capacità cambia di conseguenza e la variazione della capacità può essere misurata attraverso il ponte di capacità per determinare il valore di pressione corrispondente. Per evitare che il film si sposti, per la misurazione viene solitamente utilizzato il metodo della posizione zero, ovvero viene applicata una tensione CC tra l'elettrodo fisso e il film e la forza elettrostatica viene utilizzata per compensare lo stress generato dalla pressione differenza del film per mantenere il diaframma in posizione zero. Il vacuometro a film capacitivo può misurare direttamente la pressione di gas o vapore. Il valore misurato non ha nulla a che vedere con il tipo di gas, la struttura è solida e resiste alla cottura. Se si utilizzano testine di misurazione differenti per campi di pressione differenti, è possibile ottenere una maggiore precisione. I vacuometri a pellicola capacitiva possono essere utilizzati per il monitoraggio di gas di elevata purezza, la misurazione di precisione a basso vuoto e il controllo della pressione e possono anche essere utilizzati come standard secondario per la misurazione di basso vuoto.

4. Vacuometro a ionizzazione

Abbreviato come ionometro, utilizza il principio della ionizzazione del gas per misurare la pressione. I vacuometri a ionizzazione si dividono in due categorie: catodo caldo e catodo freddo. Di solito ci sono tre elettrodi nella testa del misuratore del vacuometro a ionizzazione a catodo caldo, vale a dire catodo, anodo e collettore, che svolgono rispettivamente il ruolo di emettere elettroni, accelerare elettroni e raccogliere ioni. Gli elettroni ionizzano il gas nel processo di spostamento dal catodo all'anodo. Se l'effetto di ionizzazione secondaria viene ignorato (il che significa che i nuovi elettroni generati nel processo di ionizzazione vengono accelerati dal campo elettrico e acquisiscono capacità di ionizzazione e provocano una nuova ionizzazione), ogni elettrone emesso dal catodo viene ionizzato. Il numero di ioni positivi prodotti è proporzionale alla densità del gas nello spazio, e quindi proporzionale alla pressione ad una certa temperatura. Pertanto, la corrente ionica Ii=SIeP ricevuta dal collettore, Ie è la corrente di emissione dell'elettrone catodico e S è la costante di proporzionalità, che è chiamata coefficiente ionometrico. Dopo aver verificato il coefficiente del misuratore di ionizzazione con un vacuometro standard ad una certa temperatura, è possibile determinare la pressione in base alla dimensione della corrente ionica. Il tipo principale di testina di misurazione a ionizzazione a catodo caldo Il catodo è generalmente realizzato in filo di tungsteno e l'anodo può essere trasformato in una griglia, in modo che gli elettroni possano viaggiare avanti e indietro su entrambi i lati per aumentare la corsa degli elettroni, quindi è anche chiamato griglia. Il collettore dello ionometro a triodo è cilindrico e posizionato all'esterno della griglia e il suo intervallo di misurazione della pressione è compreso tra 10-1 e 10-5 Pa. Quando la pressione di esercizio è superiore a 10-1 Pa, la durata del filo di tungsteno si riduce, e la relazione tra la corrente ionica e la pressione inizia a deviare dalla linearità a causa dell'effetto di ionizzazione secondaria. I catodi a filamento di iridio rivestiti con ossido di torio o ossido di ittrio possono funzionare a pressioni fino a 100 Pa e hanno una durata abbastanza lunga e il filamento non verrà danneggiato anche se riscaldato nell'atmosfera. Se la testina dell'indicatore di ionizzazione adotta questo filamento e l'anodo e il collettore sono realizzati in forme speciali, la distanza tra gli elettrodi viene ridotta, la tensione dell'anodo viene ridotta e la probabilità di ionizzazione del gas viene ridotta (ovvero il coefficiente dell'indicatore di ionizzazione è ridotto), quindi questo manometro di ionizzazione può essere Misurare la pressione da 10-3 a 100 Pa è chiamato misuratore di ionizzazione ad alta pressione. Il limite inferiore dell'intensità di bassa tensione misurata dal misuratore di ionizzazione del triodo è determinato dalla fotocorrente del collettore, ovvero a causa della fotoemissione causata dai raggi X morbidi generati dall'elettrone che colpisce l'anodo che irradia il collettore, il fotocorrente costituisce lo sfondo della corrente del collettore. Quando la fotocorrente rappresenta il 10% della corrente ionica, viene raggiunto il limite di misurazione inferiore dello ionometro. Il collettore della testina del misuratore di ionizzazione è realizzato in un filamento e posizionato sull'asse della griglia. Il filamento si trova all'esterno della griglia. In questo momento, la sensibilità del misuratore di ionizzazione non cambia molto e, a causa della piccola area del collettore, i raggi X da esso intercettati sono inferiori a Tre ordini di grandezza in meno del tipo a triodo, questo ionometro può misurare le pressioni fino a 10-8 Pa. Fu proposto da Bayard e Albert nel 1950, quindi si chiama BA. Per misurare la pressione di 10-9 Pa o inferiore, è possibile utilizzare un misuratore BA modulato, un misuratore a ionizzazione polare, un misuratore a ionizzazione a colonna curva o un misuratore a ionizzazione con magnetron a catodo caldo. Questi ionometri escludono anche in una certa misura l'influenza degli ioni desorbiti indotti dagli elettroni di gate sulle misurazioni della pressione